收藏 | 常用锂电参数与计算公式、中英对照

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锂电前沿   2019-7-14 03:56   3668   0
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(1)电极材料的理论容量电极材料理论容量,即假定材料中锂离子全部参与电化学反应所能够提供的容量,其值通过下式计算:



其中,法拉第常数(F)代表每摩尔电子所携带的电荷,单位C/mol,它是阿伏伽德罗数NA=6.02214 ×1023mol-1与元电荷e=1.602176 × 10-19 C的积,其值为96485.3383±0.0083 C/mol
故而,主流的材料理论容量计算公式如下:
LiFePO4摩尔质量157.756 g/mol,其理论容量为:


同理可得:三元材料NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2 ) 摩尔质量为96.461g/mol,其理论容量为278 mAh/g,LiCoO2摩尔质量97.8698 g/mol,如果锂离子全部脱出,其理论克容量274 mAh/g.
石墨负极中,锂嵌入量最大时,形成锂碳层间化合物,化学式LiC6,即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066 g/mol,石墨的最大理论容量为:


对于硅负极,由5Si+22Li++22e-  Li22Si5 可知, 5个硅的摩尔质量为140.430 g/mol,5个硅原子结合22个Li,则硅负极的理论容量为:


这些计算值是理论的克容量,为保证材料结构可逆,实际锂离子脱嵌系数小于1,实际的材料的克容量为:材料实际克容量=锂离子脱嵌系数 × 理论容量
(2)电池设计容量电池设计容量=涂层面密度×活物质比例×活物质克容量×极片涂层面积
其中,面密度是一个关键的设计参数,主要在涂布和辊压工序控制。压实密度不变时,涂层面密度增加意味着极片厚度增加,电子传输距离增大,电子电阻增加,但是增加程度有限。厚极片中,锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因,考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同,离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多倍。
(3)N/P比负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷(正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比)
石墨负极类电池N/P要大于1.0,一般1.04~1.20,这主要是出于安全设计,主要为了防止负极析锂,设计时要考虑工序能力,如涂布偏差。但是,N/P过大时,电池不可逆容量损失,导致电池容量偏低,电池能量密度也会降低。
而对于钛酸锂负极,采用正极过量设计,电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能:高温气体主要来源于负极,在正极过量设计时,负极电位较低,更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。
(4)涂层的压实密度及孔隙率在生产过程中,电池极片的涂层压实密度计算公式:


而考虑到极片辊压时,金属箔材存在延展,辊压后涂层的面密度通过下式计算:


涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成,孔隙率计算公式:


其中,涂层的平均密度为:


(5)首效首效=首次放电容量/首次充电容量
日常生产中,一般是先化成再进行分容,化成充入一部分电,分容补充电后再放电,故而:
首效=分容第一次放电容量/(化成充入容量+分容补充电容量)
(6)能量密度体积能量密度(Wh/L)=电池容量(mAh)×3.6(V)/(厚度(cm)*宽度(cm)*长度(cm))
质量能量密度(Wh/KG)=电池容量(mAh)×3.6(V)/电池重量


常用锂电术语中英对照合浆mixing涂布coating辊压分切rolling slitting点焊spotwelding激光切laser cutting卷绕winding
组装assembly package激光焊laser welding烘烤baking注液injection高温老化higt temp-baking化成formation二次注液2rd injection分容grading静置staticIR、OCV测试IR/OCV test
容量密度capacity density能量密度energy desity功率密度power density开路电压open Circuit Voltage标称电压nominal voltage额定容量nominal capacity实际容量pratical capacity放电速率discharge rate放电深度depth of discharge

参数详解

能量密度(Wh/L&Wh/kg)



单位体积或单位质量电池释放的能量,如果是单位体积,即体积能量密度(Wh/L),很多地方直接简称为能量密度;如果是单位质量,就是质量能量密度(Wh/kg),很多地方也叫比能量。如一节锂电池重300g,额定电压为3.7V,容量为10Ah,则其比能量为123Wh/kg。






根据2016年发布的“节能与新能源汽车技术,可以大概对动力电池发展趋势有一个概念,如上图所示,到2020年,纯电动汽车电池单体比能量要达到350Wh/kg。


功率密度(W/L&W/kg)


将能量除以时间,便得到功率,单位为W或kW。同样道理,功率密度是指单位质量(有些地方也直接叫比功率)或单位体积电池输出的功率,单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。
比能量和比功率究竟有什么区别?
举个形象的例子:比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟,耐力好,可以长时间工作,保证汽车续航里程长。
比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子,速度快,可以提供很高的瞬间电流,保证汽车加速性能好。
电池放电倍率(C)


放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量(Q)时所需要的电流值,它在数值上等于电池额定容量的倍数。即充放电电流(A)/额定容量(Ah),其单位一般为C(C-rate的简写),如0.5C,1C,5C等。
举个例子,对于容量为24Ah电池来说:
用48A放电,其放电倍率为2C,反过来讲,2C放电,放电电流为48A,0.5小时放电完毕;
用12A充电,其充电倍率为0.5C,反过来讲,0.5C充电,充电电流为12A,2小时充电完毕;
电池的充放电倍率,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面,或者以多快的速度,将电池里面的能量释放出来。


荷电状态(%)


SOC,全称是StateofCharge,荷电状态,也叫剩余电量,代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。
其取值范围为0~1,当SOC=0时表示电池放电完全,当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统(BMS)就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作,所以它是电池管理的核心。
目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等,我们以后再详细解读。


内阻


内阻是指电池在工作时,电流流过电池内部受到的阻力。
包括欧姆内阻和极化内阻,其中:欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻;极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。
用数据说话,下图表示一电池放电曲线,X轴表示放电量,Y轴表示电池开路电压,电池理想放电状态为黑色曲线,红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。




图示:Qmax为电池最大化学容量;Quse为电池实际容量;Rbat表示电池的内阻;EDV为放电终止电压;I为放电电流。
从图中可以看出,电池实际容量Quse
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